domenica , 8 Dicembre 2019
iten
Home » Elettronica » I parametri di produzione di un PCB

I parametri di produzione di un PCB

Nel precedente post sul tema abbiamo visto due alternative del far east per la produzione a basso costo di circuiti stampati per prototipi. Ho avuto subito delle richieste di chiarire il significato dei vari parametri di produzione disponibili durante la fase di quotazione dei campioni. Questo articolo ha proprio il compito di spiegarli nel dettaglio. Prenderò in esame quelli di PCBCart, che sono maggiori ed offrono più possibilità di personalizzazione. Come riferimento potete seguire questa capture del form per la quotazione, anche se io non seguirò l'ordine così come esposto, ma partirò da quelli più importanti per finire a quelli più "specialistici".

Layers

Se siete giunti all'esigenza di produzione di un circuito stampato, allora già sapete cosa significa questo parametro di produzione. Questo campo indica da quanti "strati" è composto il vostro PCB. A livelli hobbistici difficilmente c'è l'esigenza di andare oltre i 2 layer, con cui si possono produrre circuiti molto complessi. Se tra 1 e 2 layer non c'è una grossa differenza di prezzo, tra 2 e 4 - per quantità piccole e medie - la differenza di prezzo diventa di ben 5 volte superiore. Il processo di produzione di un PCB multistrato è molto complesso, e fa aumentare sia i costi di attrezzaggio sia di produzione. Meglio avere un PCB più grande ma 2 layer, che uno più piccolo ma a 4 layer (ovviamente se i requisiti dimensionali non sono stringenti).

Part Number

Il sistema vi chiede di assegnare un nome univoco al vostro PCB. Questo parametro non deve essere scelto a caso, perché è importante per due motivi: vi permette in futuro di riordinare lo stesso PCB risparmiando i costi di attrezzaggio e permette a voi di avere una chiara tracciabilità del circuito. Io preferisco sempre dare un part number in cui c'è il nome del prodotto e la revisione del progetto. Ad esempio, supponiamo di aver realizzato la prima revisione del progetto "MyPCB". Un buon part number può essere MYPCB-r1.0. Ricordate di aggiungere lo stesso part number nel layer dedicato alla serigrafia. Nel caso in cui, per risparmiare, non farete generare la serigrafia (silkscreen in inglese) aggiungetelo al TOP o al BOTTOM layer, in una zona isolata. La tracciabilità in elettronica è tutto.

Board Type

Questo parametro di produzione vi permette di specificare se state ordinando un certo numero di PCB singoli (ossia l'esatta riproduzione fisica di quello che avete realizzato con il vostro CAD) o un pannello. Un pannello è sempre un PCB con le stesse caratteristiche del vostro "singolo" PCB (numero di layer, caratteristiche dielettriche, ecc) ma più grande e progettato per contenere più copie del vostro PCB.

panel
Pannello PCB
Un esempio di pannello dove lo stesso circuito è stato replicato 25 volte

I pannelli vengono prodotti per l'assemblaggio dei circuiti elettronici finali - con tutti i componenti, per capirci. Il pannello viene progettato per consentire alle macchine (pick & place) di produrre in un'unica sessione più circuiti. È un processo di ottimizzazione per la produzione, e la dimensione del pannello dipende da una serie innumerevole di fattori. Tuttavia, anche a livello hobbistico il pannello può tornare utile. Infatti, un trucco per "abbattere" i costi è quello di realizzare un pannello contenente circuiti stampati diversi, e quindi con un unico PCB grande produrre più circuiti - si risparmia sull'attrezzaggio. Quando si attiva l'opzione "panel", infatti, si attiva un'altra voce: Different Design in Panel serve al service per pianificare la fase di test dei circuiti. Se realizziamo un pannello con 4 progetti diversi, questo parametro vale per l'appunto 4. Il parametro Route process indica al service come sono divisi i vari sottocircuiti nel pannello. Su questo tornerò in un prossimo articolo.

Come suggerimento rispetto ai pennelli che raggruppano circuiti diversi, vi dico che conviene sempre inserire nel pannello 2 o 3 esemplari dello stesso circuito, oppure chiedere al service di inviarvi un pannello "completamente" funzionante al costo di un sovrapprezzo. Questo perché, purtroppo, può succedere che a valle della produzione del pannello, uno o più PCB non passino il test finale, con il rischio che vi arriva un pannello che ha un dato circuito con errori tali da non poterlo usare. Questa cosa è strettamente connessa col processo di produzione del PCB e con la qualità di produzione, parametro non di poco conto quando si parla di aziende cinesi.

Board size e Quantity

Questi parametri permettono di specificare le dimensioni della scheda e la quantità. Servono ai fini del calcolo del prezzo finale. Più grande è il PCB e più ovviamente si paga. Più "copie" richiedete, meno pagate a copia in proporzione. La schermata successiva vi proporrà "scaglioni" incrementali che vi faranno vedere quanto risparmiereste per pezzo ordinando più pezzi. Infine, ricordate che scheda più grande significa più peso, e i PCB pesano! Più peso significa spese di spedizione maggiori.

Thickness

Indica lo spessore finale del PCB. Questo è un parametro critico, e dipende da diversi fattori. Diciamo subito che la dimensione standard è quella da 1.6mm. Se non avete motivi per cambiarla, lasciatela così. Diverse dimensioni implicano comportamenti diversi del circuito alla dissipazione di calore, all'isolamento elettrico, all'infiammabilità, ecc. Argomento complesso, che merita un capitolo - forse un libro - a parte.

Surface Finish

Argomento ancora più complicato è quello della finitura superficiale. Che cosa si intende? Dunque bisogna avere un attimo chiaro il processo di produzione di un PCB (date uno sguardo a questa serie di video). Semplificando al massimo, un layer del PCB è ottenuto tramite un processo di fotoincisione, in cui le piste vengono impresse sul rame, e un successivo processo di sviluppo che rimuove il rame delle parti non incise (in realtà è l'opposto, ma prendetela così). Alla fine avremo un foglio di rame, che rappresenta i nostri circuiti finali. Il seguente video dà un'idea completa del processo.

Il passaggio successivo consiste nel coprire le parti che non andranno saldate con la soldermask, una sorta di vernice isolante colorata (tipicamente di colore verde) che protegge il rame. Rimarranno delle parti esposte che sono quelle parti dove saranno saldati i componenti. Queste aree vanno protette e "predisposte" a ricevere lo stagno per la saldatura. Questo processo consiste per l'appunto nel creare uno strato di finitura superficiale. Esistono diverse tipologie di finitura, ognuna con i suoi pro e contro. La più economica e diffusa è la HASL, una finitura superficiale di colore grigio, composta prevalentemente da una lega di stagno. Una variante è la Lead Free HASL, ossia una finitura con una lega di stagno priva di piombo. Questa immagine presa da www.internationalcircuits.com ne dà un'ottima idea.

graph3

Un'altra finitura diffusa è l'ENIG, che consiste in una finitura basata su uno strato di oro chimico che dà ai circuiti una tipica finitura color oro.

graph1

L'ENIG ha tipicamente un aggravio di qualche decina di centesimo in più rispetto all'HASL. Esistono poi altri tipi di finiture, che esulano dagli scopi di questo post. A livello non industriale la HASL e la ENIG coprono tutte le esigenze.

Ma quando usare una invece di un'altra? Il fattore costo non è solo un parametro. Vediamo in sintesi i vantaggi della HASL:

  • Costa di meno rispetto alla ENIG.
  • Rende molto più facile saldare i componenti rispetto alla ENIG, soprattutto se non si fa uso di pasta saldante e stencil - cosa ancora più vera per la finitura HASL con piombo.
  • Rende molto più facile dissaldare i componenti (rework).

I vantaggi della ENIG sono:

  • Superficie estremamente liscia e precisa, ideale per componenti SMD fine pitch e BGA.
  • Eccellente durabilità dei circuiti (si raggiunge l'anno senza fenomeni di corrosione in ambiente non troppo umido).
  • Migliore protezione dei circuiti con spessore del rame superiore ai 70 micron.
  • Migliore resistenza alla corrosione.
  • Aspetto "più professionale" dei circuiti.

Ho sicuramente semplificato molto, ma a grandi linee questo sono gli elementi di paragone. Diciamo che per livelli hobbistici consiglio l'HASL: costa meno e rende di più.

Copper Weight

Questo parametro vi permette di selezionare lo spessore del rame dei layer esterni del PCB. È un parametro molto critico, soprattutto per PCB che hanno parti di "potenza". Lo spessore del rame, infatti, incide sulla resistività delle tracce. A volte si riesce a diminuire la resistività aumentandone la larghezza, ma per circuiti che devono gestire correnti superiori a 5A o ai 10A, non c'è alternativa ad aumentare lo spessore del rame. Se non avete particolari esigenze, lo standard è 35um.

Min. Tracing/Spacing

Quando si realizza lo sbroglio del PCB con il CAD, in genere si fissa un parametro sulle regole di routing che indica lo spessore massimo delle piste e la distanza tra una pista ed altri segnali diversi (un'altra pista, un piano di massa, ecc). Si parla per l'appunto di spessore minimo per le tracce e spaziatura minima. Lo standard è 0.2mm, e vi garantisco che prima di scendere sotto questa soglia bisogna realmente avere delle fortissime motivazioni.

Min. Annular Ring

Questo parametro è molto critico e va ben compreso già in fase di sbroglio del PCB. Si definisce annular ring l'area circolare di rame (a ciambella, per capirci) che circonda un via.

annular ring via

Quando una traccia si inverte tra un layer ed un altro del PCB, viene generato un via. A livello di produzione del PCB un via è formato dalle due tracce sui lati del layer interessato e dal foro che viene "plated" con un processo ad hoc. La grandezza di un annular ring è data dalla seguente formula: (diametro del pad - diametro del foro) / 2. Quando si fissano le regole di design nel CAD è molto importante fissare le dimensioni minime del foro e del pad tali da non scendere al disotto del valore minimo impostato nei parametri di produzione del PCB. Violare questo parametro implica che il service non eseguirà dei controlli adeguati (in realtà proprio un attrezzaggio adeguato), cosa che può dar luogo a via non simmetrici o addirittura alla "rottura" del via con conseguenze non banali sia per l'integrità elettrica sia per spiacevoli fenomeni di emissioni elettromagnetiche non volute. Attenzione: i valori di minimum annular ring riguardano non solo i via, ma tutti i fori plated come, ad esempio, i pad dei componenti PTH.

Smallest Holes

Ancora una volta indica al service la dimensione del foro più piccolo da praticare. Tipicamente coincide con il più piccolo via praticato sulla scheda. Va ricavato sempre dai parametri del CAD.

Holes Numbers

Indica di quanti fori è composto il PCB. A far crescere in modo esponenziale questo valore sono tipicamente i via nei PCB multilayer. Tutti i CAD elettronici forniscono uno strumento per conteggiare il numero di fori.

Surface Mount

Questo parametro indica se il PCB è stato realizzato per consentire il montaggio dei componenti SMD su di un solo lato o su entrambe le facce. Serve al service per capire su quanti lati del PCB dovrà praticare la finitura superficiale, e di conseguenza implica un costo maggiore nel caso in cui si montano i componenti su entrambi i lati.

Soldermask Mount e Color

Indicano rispettivamente su quali lati del PCB deve essere realizzata la soldermask e il colore della stessa.

Peelable Soldermask

La peelable soldermask è uno strato di materiale gommoso, resistente alle alte temperature, che può essere applicato in aree del circuito che si vogliono proteggere da successivi processi di saldatura o finitura del PCB. La seguente foto (presa da qui) dà un'idea del prodotto.

peelable soldermask
Esempio di peelable soldermask
Esempio di peelable soldermask

Ad esempio, supponiamo di di avere una zona del circuito dove è possibile montare dei componenti opzionali, e  che questi componenti sono di tipo PTH. Durante il processo di saldatura ad onda (o wave soldering, ossia il processo che permette di saldare i componenti PTH) se non si coprono i fori di questi componenti, essi saranno irrimediabilmente chiusi con lo stagno.

Silkscreen Legend

In inglese per silkscreen si intende la serigrafia, ossia il layer superficiale contenente gli identificativi dei componenti e tutti gli elementi grafici. Questo parametro indica al service su quanti lati sarà effettuata la serigrafia, e il successivo indica il tipo di colore.

Gold Fingers

Quando un PCB è progettato per essere inserito in un connettore di tipo scheda a scheda (ad esempio, una scheda PCI in un bus di una scheda madre) allora è necessario realizzare gli opportuni contatti, che sono tipicamente in oro e richiedono un processo separato.

goldfinger
Cos'è un goldfinger
Esempio di contatti in oro

I tre parametri su questo tema indicano per l'appunto al service la presenza di contatti scheda/scheda, il loro numero, e l'angolazione della punta di questi contatti.

Slots/cutouts in Board

Su progetti di un certo tipo, che prevedono che la scheda debba interfacciarsi con altri elementi, tipo il contenitore che la ospiterà o altri componenti meccanici, è necessario l'adozione di una o più aree lavorate a CNC non circolari. I parametri cutout indicano per l'appunto la presenza di queste aree nel PCB.

Testing

Parametro obbligatorio per PCBCart, indica al service di effettuare il testing del PCB. Ma come fa il service a sapere come testare il PCB se non ha la ben che minima idea del suo progetto originario? In realtà il service effettua un test a black box, denominato flying probe test. Tramite l'estrapolazione di dati nei file GERBER, la macchina verificherà che non vi sia conduzione tra tracce che non devono averla. L'eventuale presenza di conducibilità indica un corto, quasi sicuramente causatosi per un errato processo di corrosione (tipicamente, il film non aderisce bene al rame durante la fase di incisione, o una bolla d'aria impedisce di sviluppare correttamente la traccia). Purtroppo per i produttori del far east è pressocché fisiologico avere una certa quantità di circuiti non buoni. Questo perché molti processi che loro eseguono sono fatti a mano, mentre le aziende occidentali più avanzate hanno ormai processi quasi del tutto automatizzati. Il test vi garantisce che avrete a casa solo PCB funzionanti. Nel caso in cui produrrete un pannello, chiarite con il servizio clienti sin da subito qual è il vostro livello minimo di accettabilità per un pannello.

UL Marking

Cosa si intende per UL? Avrete sicuramente sentito parlare più volte di questa sigla, che sta per Underwriters Laboratories, e trattasi di un organizzazione statunitense che si occupa di certificazioni in ambito di sicurezza. Nel caso dei PCB la certificazione UL stabilisce il comportamento all'infiammabilità dei circuiti stampati. Questa cosa ha un rilievo importante in ambito professionale ai fini della certificazione CE dei prodotti. Chi vuole, infatti, commercializzare un prodotto elettronico in Europa deve necessariamente certificare i suoi prodotti in base ad una o più direttive europee in materia di sicurezza dei dispositivi elettronici. Uno dei parametri di test è l'infiammabilità dei prodotti, o meglio la risposta alle fiamme del PCB. Quando si certifica un prodotto elettronico, se il produttore del PCB non è in grado di offrirvi la certificazione dei sui PCB, dovrete provvedere da voi a certificare il PBC in base a delle stringenti norme di sicurezza. Questa cosa è nella pratica non realizzabile, soprattutto per i piccoli produttori. Quello che si fa in questi casi è chiedere al service di inserire la marcatura UL sui PCB.

ul-mark-pcb
UL mark PCB
Esempio di UL mark sul PCB

Un'azienda seria inserirà oltre al logo, anche la classe di infiammabilità del PCB (UL94V-x) e il codice di certificazione che hanno ottenuto. L'assenza di uno di questi elementi vi deve far fortemente dubitare che l'azienda possiede una certificazione in materia.

Material

È il primo dei parametri del PCB, ma lo cito per ultimo perché va a braccetto con il parametro di cui prima. Esistono molti tipi di circuiti stampati. La differenza non è solo dettata dal tipo di rame e altre caratteristiche, ma anche dal substrato di cui è composto il PCB. Ad esempio, esistono PCB realizzati sull'alluminio per consentire di dissipare meglio il calore (il mondo dei LED di potenza funziona così). L'FR4, acronimo di Flame Retardant ed è un materiale composito fatto di fibra di vetro e 4 tipi di resine epossidiche diverse. È il materiale più diffuso nei PCB, ma come vi dicevo non è l'unico possibile.

Date Code Marking

Indica al service di inserire, al prezzo di un costo aggiuntivo, automaticamente la data di produzione del PCB. Serve soprattutto per indicare lotti diversi di PCB.

Lead Time

È il tempo di lavorazione massimo che siete disposti ad accettare. PCBCart ha due politiche di tempi di produzione: una standard, che prevede o 12 o 8 giorni lavorativi (con un minimo sovrapprezzo) o una politica “accelerata” che con un sovraprezzo di 1.5x, 2x, 3x, del prezzo base, vi permette in teoria di avere i circuiti anche nel giro di 3 giorni. Altrimenti, tipicamente vi occorreranno circa 15-20 giorni per avere sul vostro tavolo il materiale ordinato.

Special Requirement Note

In questo campo dovete inserire tutte le eventuali note di produzione, come particolari richieste o puntualizzazioni di altri aspetti che si trovano nei file gerber. Non date mai nulla per scontato, soprattutto le prime volte.

 


Tags

Check Also

Compilare micropython per una scheda STM32Nucleo-F4

Chi mi conosce sa che il mio linguaggio di programmazione preferito è Python. Ho scritto …

6 comments

  1. Ciao,
    complimenti per l'articolo.
    Nel caso della produzione del pannello, i campi:
    - Board Size (width)
    - Board Size (height)
    - Quantity
    si riferiscono alle dimensioni della singola scheda all'interno del pannello (e le relative quantità) o alle dimensioni dell'intero pannello?
    Grazie
    Emanuele

    • Carmine Noviello

      Ciao,
      le dimensioni si riferiscono al pannello. Il pannello è niente altro che un PCB più grande. Comunica sempre al service quanti design "diversi" ci sono sullo stesso pannello, per consentire di fare un corretto test.

  2. Complimenti per lo stile completo, asciutto e comprensibile dei tuoi articoli.
    Mi auguro che prima o poi potrai illustrare anche come richiedere il processo di assemblaggio e approvvigionamento componenti. Il sito di PCBCart è un po' avaro di informazioni (ma sarà per via del capodanno cinese!!! 😉

    • Ciao,
      per quanto riguarda il discorso assemblaggio, come dici tu occorre un articolo. Mi riprometto di farlo a breve.
      Giusto in due parole, occorre fornire:

      • I file gerber dei PCB
      • Se possibile, il file pick & place con i posizionamenti
      • Una BOM (Bill of Material - lista dei componenti) con tutti i componenti che vuoi far montare. Il template BOM conviene chiederlo a loro.
  3. Ciao
    Se dovessi realizzare piu prototipi con stesso numero di layer, ma in un unico PCB,cosi' da avere costi inferiori,
    come lo indico ? E come indico di mettere tra i veri progetti dei fori per un eventuale taglio o scontornatura ?

    Grazie

    Roberto

    • Carmine Noviello

      Ciao, si chiama pannellizzazione. Molti service offrono dei tool per farlo in automatico. Prova a cercare su google, ti esce il mondo.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.